AUTOMATISERINGSFAGET. Måling av turtall og posisjon

Transkript

1 AUTOMATISERINGSFAGET Måling av turtall og posisjon Sist revidert:

2 MODUL MÅLING AV TURTALL OG POSISJON Modulen har følgende innhold: Kompendium (dette dokumentet) Nettleksjon Nettoppgaver (inkludert i nettleksjonen) Skriftlige øvingsoppgaver LÆRINGSMÅL e Etter å ha gjennomført denne kursmodulen skal du: Kjenne til de vanligste roterende sensorer for turtall Kjenne til de vanligste sensorer for måling av posisjon Kjenne til noen sensorer for mer avanserte målinger FORKUNNSKAPER Denne kursmodulen forutsetter at du kan grunnleggende elektroteknikk tilsvarende VG1-nivå i for elektrofag videregående skole og at du har gjennomført kursmodulen "Automatiserte anlegg" og "Måleteknikk" 2

3 Innhold 1 Innledning Roterende givere Encoder Tachogenerator Resolver Digitale givere Mekaniske sensorer Induktive sensorer Kapasitive sensorer Fotoelektriske sensorer Analoge sensorer Laser Linelengdegiver

4 1 Innledning Denne kursmodulen omhandler sensorer og givere for måling av rotasjon og posisjon i automatiserte anlegg. Dette er et enormt fagfelt, og det finnes så mange produsenter, givere og sensortyper, at det vil være umulig å presentere alle disse gjennom dette kurset. Vi nøyer oss derfor med å gå igjennom de viktigste måleprinsippene og instrumenttypene. Vi vil først gå igjennom de vanligste typer roterende givere. I utgangspunktet ble roterende givere benyttet til måling av turtall, men nye givertyper og økt presisjon har gjort at slike givere også benyttes mye til posisjonsmålinger. De fleste motorstyringer som er ment for anlegg med høye krav til presisjon, har som regel innebygde funksjoner for avlesing av roterende givere. Vi skal videre se på noen vanlige typer digitale og analoge givere. Mens digitale givere bare er i stand til å fortelle om objektet er i posisjon eller ikke, har analoge givere mulighet til å detektere både avstand og hastighet. Avanserte lasersensorer og intelligente kamera kan også detektere form, farge, strekkoder, tekst osv. I denne kursmodulen gir vi en introduksjon til de forskjellige typer givere og sensorer. En rekke produsenter av slikt utstyr har utarbeidet omfattende litteratur som forklarer måleprinsipper og funksjoner for deres sensorer. Dersom du ønsker å fordype deg i dette teamet, anbefaler vi deg å sjekke ut noen av leverandørenes hjemmesider. 4

5 2 Roterende givere 2.1 Encoder En encoder er en roterende giver som brukes til å detektere turtall eller posisjon. Encodere finnes i mange forskjellige utgaver fra mange forskjellige produsenter. Figur 2.1 viser en vanlig type encoder med en roterende aksling i senter. Akslingen forbindes mekanisk med en motoraksling, et reimhjul eller annet utstyr som encoderen skal utføre målinger på. Det finnes også encodermodeller som i stedet for aksling har et hull gjennom encoderen, slik at den for eksempel kan tres rett på en motoraksling. En del motorprodusenter tilbyr også motorer med integrerte encodere. Figur 2.1 Eksempler på encodere. Vi skiller mellom to hovedtyper encodere: - Inkrementelle encodere - Absolutte encodere Begge encodertyper ser like ut og baserer seg på samme fysiske måleprinsipp, men de gir ut forskjellige måleverdier. Inkrementelle encodere gir kontinuerlig ut pulser så lenge den roterer. For hver omdreining gir den ut et bestemt pulstall typisk mellom 100 og Dersom en slik encoder er montert på akslingen til motoren som beveger en vogn, kan vi ved å telle pulser både finne motorens turtall og vognas posisjon. Absolutte encodere gir ut en posisjon i form av en tallverdi som angir encoderakslingens vinkel. Typisk tallverdi for én rotasjon kan være Dersom tallverdien er 4096 (halvparten), vet vi at akslingen står i posisjon 180 i forhold til nullpunktet. Dersom akslingen roterer mer enn én runde, går tallverdien direkte fra 8192 tilbake til null. Det er en direkte sammenheng mellom den mekaniske posisjonen til encoderakslingen og tallverdien encoderen gir ut. Ved et strømutfall vil encoderen av den grunn alltid angi korrekt posisjon når strømmen kommer tilbake igjen. Den trenger ingen form for nullstilling, og noen typer absolutte encodere kan også telle runder. Begge typer encodere har som nevnt lik konstruksjon og baserer seg på samme fysiske måleprinsipp. 5

6 Figur 2.2 viser et eksempel på mekaniske oppbyggingen av en encoder. Figur 2.2 Encoderens konstruksjon. Det finnes forskjellige metoder for å detektere encoderakslingens rotasjon. Vi skal nå se på virkemåten til en optisk encoder som baserer seg på pulser med infrarødt lys. Noe forenklet forklart, kan vi si at en slik encoder har en kodeskive med like mange spalter (åpninger) som den skal gi pulser per omdreining. På hver side av kodeskiven er det plassert en sender og en mottaker for infrarødt lys. Senderen er gjerne en lysdiode og mottakeren en lysfølsom transistor (fotocelle). Kodeskiven er plassert mellom disse, slik at den slipper gjennom lys ved hver spalte, og stenger for lyset i de tette partiene mellom spaltene. Kodeskiven er festet til encoderakslingen, slik at lyset fra lysdioden vil blinke på fotocellen i takt med rotasjonen. Figur 2.3 En optisk encoder har en kodeskive med et bestemt antall spalter som slipper gjennom lys. Kodeskiven er festet til encoderakslingen slik at lyset fra lysdioden pulser på fotocellen når encoderen roterer. 6

7 Problemet med encoderen beskrevet i figur 2.3, er at den gir like pulser uansett rotasjonsretning. I de fleste tilfeller er vi interessert i å vite retningen til rotasjonen, både ved turtalls- og posisjonsmålinger, noe vi ikke vil være i stand til med en slik encoder. Derfor har encodere gjerne to kanaler, en A- og en B-kanal. Pulsene fra A- og B-kanalene er 90 forskjøvet i forhold til hverandre. Denne faseforskjellen gjør det mulig å registrere om rotasjonen er med eller mot urviseren. Hvis fallende flanke på B kommer før stigende på A, er rotasjonen med urviseren. Kommer derimot stigende flanke på B før stigende på A, er rotasjonen mot urviserens retning. De fleste encodere har også en tredje kanal som gir en puls hver gang encoderen passerer nullpunktet en såkalt nullpuls. Det finnes encodere med enda flere funksjoner og kanaler, og her må man sette seg inn i manualen fra produsenten for hver enkelt encoder. Figur 2.4 De fleste encodere har minst tre kanaler, hvor pulstall og rotasjonsretning formidles via A- og B- kanalene, mens den tredje kanalen gir en nullpuls hver gang rotasjonen passerer nullpunktet. Optiske absoluttencodere benytter samme prinsipp med lysdiode og fotocelle for å detektere posisjon, men kodeskiven ser noe annerledes ut. Skiven har flere ringer med tette og åpne områder, og hver ring har én lysdiode og en fotocelle. Dersom man tenker seg en strek fra sentrum til ytterkant av skiven, vil "mønsteret" av hull langs streken endre seg når skiven roterer. Mønstret gir en binær tallkode av nullere og enere (tett=0, hull=1). Skiven i figur 2.5 har åtte ringer. Dersom de sorte områdene er hull, gir den aktuelle posisjonen kode (binærtall). Regner vi dette om til desimaltall, får vi tallet 31 ( BIN = 31 DEC). Ut fra dette vet encoderen nøyaktig i hvilken posisjon den befinner seg. Figur 2.5 Kodeskive for en absoluttencoder. Dersom skiven roterer mens den røde streken står stille, vil mønsteret langs streken endre seg. På den måten vet encoderen hvilken posisjon den er i. 7

8 Absoluttencodere finnes i to typer; single turn og multi turn. En single turn encoder gir bare posisjonen i , mens en multi turn også teller antall omdreininger. Som for inkrementellencodere, finnes også absoluttencodere med mange variasjoner i funksjon og konstruksjon fra produsent til produsent. Det er derfor viktig å sjekke produsentenes manualer grundig. De fleste encodere som finnes på markedet i dag, baserer seg på bruk av infrarødt lys. Men det finnes også modeller som benytter andre måleprinsipper. De første encoderene hadde gjerne mekaniske kontakter som detekterte hull i kodekortet. Slike encodere var kun egnet for lave hastigheter, og de ser man sjelden i drift i dag. Av dagens encodere finnes det noen som baserer seg på bruk av magneter og magnetsensorer, og det finnes også noen som baserer seg på kapasitive måleprinsipper. Vi går ikke inn på virkemåten for disse i dette kurset, men det finnes litteratur på internett, blant annet fra flere av encoderprodusentene, dersom du ønsker å fordype deg i dette. Figur 2.6 viser noen eksempler på bruksområder for encodere. Figur 2.6 Eksempler på bruksområder for encodere. 2.2 Tachogenerator En tachogenerator er en turtallsgiver som kan kobles direkte på akslingen på en motor. Tachogeneratoren genererer en spenning som blir høyere jo raskere motoren roterer, og ved å måle spenningen, kan vi bestemme motorens turtall. Tachogeneratoren er kun egnet til måling av turtall, og ikke til måling av posisjon slik som en encoder. 8

9 Figur 2.7 Tachogeneratorer genererer en spenning som er proporsjonal med turtallet. Tachogeneratoren er basert på generatorprinsippet som vi husker fra grunnleggende elektroteknikk. Den har permanent-magneter i stator og viklinger i rotor, hvor det induseres spenning ved rotasjon. Spenningen tas ut over kullbørstene, og størrelsen på spenningen er et mål for rotasjonshastigheten. Vanlig signalområde er 0..10V. Spenningen kan være både vekselspenning og likespenning, men dersom man ønsker å detektere dreieretning, er det en fordel å benytte en modell med likespenning, da denne skifter polaritet ved endring i rotasjonsretning. 2.3 Resolver En resolver er en roterende giver som måler vinkelen til en aksling ( ). Funksjonen er altså lik som for absoluttencodere, men måleprinsippet er annerledes. En resolver er konstruert som en elektromotor med én ankerspole (rotor) og to statorspoler, som vist på figur 2.8. De to statorviklingene tilføres sinusformede spenninger med samme frekvens, men med 90 faseforskyvning. Begge disse spenningene bidrar til å indusere en spenning i ankerspolen, men hvor stort bidrag hver av statorspolene gir, avhenger av posisjonen (vinkelen) til ankeret. Dette betyr at faseforskyvningen i ankerspenningen varierer ut fra hvilken statorspenning som gir størst bidrag. Ved å måle faseforskyvningen i ankerspenningen kan vi dermed beregne vinkelen til akslingen. Ankerspenningen kalles gjerne for målespenning, og er den spenningen vi kan måle ut av resolveren. Figur 2.8 Prinsippskisse for resolver. Resolveren i figur 2.8 kalles for en 2-polt resolver fordi den har to par statorspoler. Det finnes resolvere som er utstyrt med flere poler for å gi en enda bedre nøyaktighet. Typisk bruksområde for en resolver er der man trenger nøyaktig måling av vinkelen til en aksling. Dersom man har flere akser som skal koordineres (X-Y-Z), for eksempel når vi skal posisjonere en robotarm, kan dette løses ved bruk av resolvere. Nøyaktigheten er svært god, og resolvere er derfor godt egnet til presis 9

10 posisjonering. Absoluttencodere og resolvere har likt bruksområde, men resolveren skiller seg fra encoderen ved at den gir ut et analogt spenningssignal, mens encoderen gir ut en digital tallverdi. 3 Digitale givere 3.1 Mekaniske sensorer Mekaniske sensorer er den enkleste formen for digitale givere. Prinsippet går ut på at en gjenstand berører sensoren fysisk, og dermed betjener en elektrisk kontakt i sensoren. Kontakten er oftest en enkel mekanisk bryter og sensoren trenger ingen spenningsforsyning. Slike sensorer kan leveres med mange typer betjeningsenheter, alt etter hvilket objekt og hvilken type bevegelse som skal betjene sensoren. Figur 3.1 viser eksempel på noen vanlige sensortyper. Figur 3.1 Eksempler på mekaniske sensorer (Schneider Electric) 3.2 Induktive sensorer Induktive sensorer er berøringsfrie sensorer som benyttes til deteksjon av metalliske objekter, både jernholdige og ikke jernholdige. Eksempler på bruk av slike sensorer kan være posisjonering, deteksjon av ventilstilling og rotasjonsvakt for motorer. Figur 3.2 Induktiv sensor. 10

11 Figur 3.3 viser den prinsipielle oppbyggingen av en induktiv sensor. Måleprinsippet baserer seg på endring i induktans i sensorens spoler. En spoles induktans avhenger av spolens konstruksjon, blant annet om den har metaller i magnetfeltet eller ikke. Når vi beveger et magnetisk ledende materiale foran sensoren innenfor spolens magnetfelt, endres derfor spolens induktans. Oscillatoren svinger med en frekvens som endrer seg i takt med endring i induktansen, og dersom frekvensendringen er større enn innstilt følsomhet dersom sensoren har en slik innstillingsmulighet aktiveres sensorens utgang. Figur 3.3 Når et objekt føres inn i spolens magnetfelt, forandres spolens induktans. Dette gjør at oscillatorens frekvens endres og dersom endringen er større enn innstilt følsomhet, aktiveres sensorens utgang. Induktive sensorer leveres med forskjellig rekkevidde, normalt i området fra 0,8 mm og opp til 100 mm, og på mange modeller kan også følsomheten justeres. Generelt gjelder regelen at jo større diameter på den aktive flaten, jo større spole og jo større rekkevidde. Figur 3.4 Bildet viser en induktiv sensor som brukes til å indikere ventilposisjonen. 11

12 3.3 Kapasitive sensorer Kapasitive sensorer er svært like induktive sensorer både i utforming og funksjon, men de er i stand til å detektere et hvilket som helst materiale. Måleprinsippet for en kapasitiv sensor er basert på endring i kapasitans. Fra grunnleggende elektroteknikk husker vi at en kondensator består av to plater, hvor kapasitansen er avhengig av mediet mellom platene et såkalt dielektrikum. Dersom vi endrer type medium mellom platene, vil kapasitansen endres. Det er nettopp det som skjer når et objekt nærmer seg sensoren. Figur 3.5 viser hvordan objektet foran sensoren blir en del av kondensatorplatenes dielektrikum. Oscillatoren svinger med en frekvens som endrer seg i takt med endring i kapasitansen, og dersom frekvensendringen er større enn innstilt følsomhet dersom sensoren har en slik innstillingsmulighet aktiveres sensorens utgang. Figur 3.6 Kapasitiv sensor. Figur 3.5 Når et objekt føres inn i det elektriske feltet mellom platene, forandres kondensatorens dielektrikum og dermed også kondensatorens kapasitans. Dette gjør at oscillatorens frekvens endres. Dersom endringen er større enn innstilt følsomhet, aktiveres sensorens utgang. Endringer i kapasitansen vil være forskjellig for ulike materialer. Rekkevidden kan derfor variere for de forskjellige typene materialer. Rekkevidden som produsentene angir i databladene, referer seg til en jordet stålplate. Denne "referanseplaten" har en reduksjonsfaktor lik "1". Andre materialer har andre reduksjonsfaktorer. Forskjeller i reduksjonsfaktorer kan utnyttes slik at kapasitive givere "ser gjennom" enkelte materialer. En sensor kan eksempelvis justeres slik at den detekterer et objekt i vann, uten at sensoren løser ut av vannet i seg selv. Det materialet som sensoren skal "se igjennom" må ha en lavere reduksjonsfaktor enn det som skal detekteres. Noen eksempler på reduksjonsfaktorer: Jordet stålplate: 1 Vann: 1 PVC: 0,45 Olje: 0,25 12

13 Kapasitive sensorer har et svært bredt bruksområde siden de kan detektere nær sagt hva som helst. De brukes blant annet mye til nivåkontroll, transportsystemer og posisjonering. De finnes i mange forskjellige utforminger, og kan ha forskjellige typer signaltilkobling. Vær derfor nøye med å kontrollere manualen fra produsenten. Figur 3.7 Kapasitive sensorer fås i svært små størrelser. Figur 3.8 Kapasitive sensorer benyttes ofte til deteksjon av nivå. I dette anlegget brukes sensoren til deteksjon av plast. Figur 3.9 Kapasitive givere benyttes der man skal detektere andre materialer enn metall. Slike givere er derfor ofte å se på transportsystemer med pappesker og annen ikke-metallisk emballasje. 13

14 3.4 Fotoelektriske sensorer Fotoelektriske sensorer, ofte kalt fotoceller, detekterer objekter ved sending og mottak av lysstråler. Det finnes tre hovedprinsipper for hvordan sending og mottak foregår: Separat sender- og mottakerenhet Felles sender- og mottakerenhet mot refleks Felles sender- og mottakerenhet mot direkte refleksjon i objekt Fotoceller med separat sender- og mottakerenhet monteres opp slik at senderen sender en lysstråle til mottakeren. Dersom et objekt kommer mellom dem, mister mottakeren lysstrålen fra senderen og gir et signal. Typisk rekkevidde er opp til 50 meter. Figur 3.10 Fotocelle med separat sender- og mottakerenhet. Dersom vi setter opp en refleks slik at lysstrålen reflekteres tilbake til senderen, kan vi montere mottaker og sender på samme sted. Man kjøper da en fotocelle som har både sender- og mottakerfunksjon integrert i samme komponent. Dette er en løsning som forenkler installasjonsarbeidet betraktelig. Typisk rekkevidde er opp til 20 meter. Figur 3.11 Fotocelle med felles sender- og mottakerenhet som sender mot en refleks. Noen fotoceller baserer seg på direkte refleksjon i objektet. Prinsippet er det samme som ved bruk av refleks, men rekkevidden vil variere ut fra refleksjonsegenskapene til objektet. Slike fotoceller har normalt en mulighet for å stille inn følsomhet. Typisk rekkevidde er opp til 2 meter. Figur 3.12 Fotocelle med felles sender- og mottakerenhet som baserer seg på direkte refleksjon i objektet. 14

15 Lyskilden kan både være synlig og infrarødt lys. Ofte benyttes synlig lys slik at man har mulighet til å se at strålen treffer mottakeren ved mekanisk montasje eller justering av fotocellen. I de fleste fotoceller benyttes pulserende lys med en pulsfrekvens i området rundt 10 khz. Man får da større energi i hver puls enn med kontinuerlig lys vel og merke med samme strømforsyning samtidig som det er lettere å beskytte mottakeren mot fremmedlys. I enkelte fotoceller kan denne endres for å hindre gjensidig påvirkning der flere fotoceller er plassert i nærheten av hverandre. Konstant lys benyttes nesten ikke i moderne fotoelektronikk. IR-lys har større gjennomtrengningseffekt i støv, tåke og annen forurensning enn synlig lys. IR-lys benyttes der det ikke er ønskelig å vise lysstrålen, for eksempel i detektorer til en innbruddsalarm. Der man ønsker større presisjon, anvendes gjerne laserfotoceller. Hvis man skal detektere svært små objekter, eller det ikke er plass til å montere en fotocelle der deteksjonen skal foregå, kan man anvende lysledere. Lyset ledes da via en fiberoptisk kabel fra fotocellen og fram til deteksjonsstedet. Rekkevidden for lysledere er vesentlig lavere enn for vanlige fotoceller, og det er og forskjell i rekkevidde for kunststoff og glasslysledere. For direkte refleksjon er typisk rekkevidde for kunststoff 70 mm, mens den er 100 mm for glass. Ved bruk av separat sender og mottaker, er forskjellene større. Typisk rekkevidde for kunststoff er 150 mm, og 600 mm for glass. Alle disse rekkeviddene avhenger av diameteren og lengden på lyslederen, samt hvilke typer forsterker de er koblet opp mot. Figur 3.13 Lysledere kan anvendes der det ikke er plass til å plassere vanlige fotoceller. 15

16 4 Analoge sensorer 4.1 Laser En lasersensor måler distansen til et objekt ved hjelp av en laserstråle. Måleprisnippet går ut på at det sendes ut en stråle som reflekteres tilbake til sensoren. Ved å måle tiden fra strålen sendes ut til den reflekterte strålen kommer tilbake igjen, kan sensoren beregne avstanden. Sender den ut flere stråler etter hverandre, kan sensoren måle hastighet til et objekt i bevegelse, et måleprinsipp som blant annet politiet benytter seg av. Dersom den sender ut flere stråler over et område, det vi kaller en gardin, kan lasersensoren detektere flere objekter innenfor området, og den er også i stand til å detektere formen på objektene. Dette gjør at laseren har svært mange bruksområder. Figur 4.1 Eksempel på lasersensorer (Sick). Figur 4.2 Eksempel på produktkontroll med lasersensor. En lysgardin kontrollerer formen på objektet som passerer sensoren (Sick). 16

17 4.2 Linelengdegiver En linelengdegiver er en fjærbelastet snor som trekkes ut av en trommel og dras automatisk tilbake igjen. Ved å telle antall omdreininger på trommelen, for eksempel ved hjelp av encoder, kan lengden på snora som er trukket ut beregnes. På denne måten kan avstanden fra sensoren til et objekt måles. Slike sensorer benyttes typisk til posisjoneringsoppgaver, f.eks. til å heve/senke arbeidsplattformer, mobilkraner, og gaffeltrucker. Figur 4.3 Eksempel på linelengdegivere der en snor trekkes ut av en trommel for å detektere posisjon. Trommelen er spent med en fjær slik at snoren trekkes automatisk tilbake igjen (Elteco). 17